炼铁课程设计.doc

课程设计说明书
设计题目：设计一座年产制钢生铁（L08）220万吨的高炉
1物料计算
1.1原燃料成分的整理
表一 原燃料成分的整理

品种
T.Fe
Fe2O3
FeO
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
S
P
烧结矿
56.2
69.73
9.5
9.6
2.84
5.6
2
0.06
0.12
校核
56.2
69.73
9.5
9.6
2.84
5.6
2
0.06
0.12
球团矿
61.8
69.17
17.2
1.6
1.01
8.5
0.6
0.06
0.04
校核
62.93
70.44
17.52
1.63
1.03
8.65
0.61
0.06
0.04
澳矿
64.7
91.96
0.42
0.02
0.25
2.46
1.42
0.02
0.14
校核
64.86
92.19
0.42
0.02
0.25
2.47
1.42
0.02
0.14
复合矿
58.08
72.95
9.03
7.46
2.3
5.47
1.78
0.05
0.11
石灰石

53.46
0.52
1.24
1.32

校核

53.46
0.52
1.24
1.32

炉尘
48.06
54.86
12.42
4.64
0.94
15.04
1.42
0.12
0.11
校核
48.51
55.38
12.54
4.68
0.95
15.18
1.43
0.12
0.11
焦炭灰分
5.05

6.16
6.24
0.99
46.43
39.69

校核
5.05

6.16
6.24
0.99
46.43
39.69

煤灰分
5.72

7.35
3.28
1.6
48.06
39.71

校核
5.72

7.35
3.28
1.6
48.06
39.71

MnO
MnO2
P2O5
FeS
1/2S
3/2S
CO2
H2O
∑
0.33

0.27

0.03

0.1

100
0.33

0.27

0.03

0.1

100

0.09

0.03

98.2

0.09

0.03

100
0.12
0.15
0.32

0.03
0.26
2.46
96.238
0.12
0.15
0.32

0.03
0.26
2.47
100
0.27

0.25

0.03

0.11
0.35
100

43.46

100

43.46

100
1.44

0.25

0.06

1.6
6.4
99.07
1.45

0.25

0.03

1.62
6.46
100

0.08
0.41

100

0.08
0.41

100

100

100

表二 燃料工业分析及挥发份成分
焦炭成分（%）
固定碳
灰分（12.17）
C
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
FeS
P2O5
85.63
5.65
4.83
0.76
0.12
0.75
0.05
0.01

挥发分（0.9）
有机物（1.30）
∑
H2O
TFe
TS
CO2
CO
CH4
H2
N2
H2
N2
S
0.33
0.33
0.03
0.06
0.15
0.4
0.4
0.5
100
4
0.62
0.52
煤粉成分（%）
固定碳
灰分（14.96）
有机物及挥发分（10.43）

H2O
TFe
TS
C
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
H2
O2
H2O
N2
S
100
1.6
0.86
0.58
74.61
7.19
5.94
0.49
0.24
1.10
4.46
4.15
0.81
0.43
0.58
表三 元素分派

Fe
Mn
P
S
生铁
0.997
0.5
1.0

炉渣
0.003
0.5

煤气

0.05

1.2重要技术经济指标
表4：其他条件
焦比kg/t
煤比kg/t
炉渣碱度
直接还原度
炉尘kg/t
鼓风湿度%
风温℃
400
150
1.2
0.45
20
1.2
1100
1.3预定钢水成分
表三 预定铁水成分
Fe
Si
Mn
S
P
C
94.516
0.45
0.3
0.028
0.15
4.5
1.4矿石配比的拟定
烧结矿：球团矿：混合矿=76：10：14
1.5铁矿石的用量
设生产每吨生铁所用的复合矿和石灰石分别为 X , Y 单位 : Kg
根据铁平衡
0.5808X+400×0.1217×0.0505+150×0.1496×0.0572=945.16+945.16×0.003/0.997+20×0.4851
碱度平衡
解得：X=1642.5kg Y=14.08kg
烧结矿：1248.3kg 球团矿：164.25kg 澳矿：229.95kg
1.6渣量和炉渣成分的计算
1、S
原燃料带入的S：1642.5×0.0005+400×0.005+150×0.0058=3.69Kg
进入生铁的S : 0.28 Kg
进入煤气的S : 3.69 ×0.05=0.18Kg
进入炉尘的S：20 ×0.0012=0.024 Kg
炉渣中的S ： 3.69-0.28-0.18-0.024=3.21 Kg
2、FeO Kg
3、MnO Kg
4、SiO2 碱度平衡中的分母
5、CaO 碱度平衡中的分子
6、MgO 1642.5×0.023+14.08×0.0052-20×0.0143+400×0.1217×0.0099+150×0.1496×0.016=38.5 Kg
7、Al2O3 1642.5×0.0178+14.08×0.0132+400×0.1217×0.3969+150×0.1496×0.3971-200.0143=57.37 Kg
表四 炉渣成分表
组元
CaO
SiO2
Al2O3
MgO
MnO
FeO
S/2
∑
kg
132.89
110.75
57.37
38.5
2.67
3.66
1.61
347.45
%
38.25
31.88
16.51
11.08
0.77
1.05
0.46
100
1.7
生铁成分的校对
[S]=0.028% [Si]=0.45% [Fe]=94.516%
[Mn]=2.67×55/71×100/1000=0.21%
[P]=（1642.5×0.0011-20×0.011）×62/142×100/1000=0.07%
[C]=100-0.028-0.45-94.516-0.07-0.21=4.72%
2.1物料平衡
2.1.1 风量的计算
直接还原度rd=0.45 鼓风湿度f=1.2%
C燃=C焦+C煤-C直-C生铁-CCH4-C尘
进入高炉C总=400×0.8563+150×0.7461=454.44Kg
CCH4=0.7%C总=454.44×0.007=3.18 Kg
C生铁=1000×4.72%=47.2Kg
C直=24/28×4.5+12/55×2.1+0.7×60/62+945.16×0.45×12/56=96.14
C尘=20×0.0162×12/44=0.09 Kg
C燃=454.44-3.18-47.2-96.14-0.09=307.83 Kg
WO2=0.21×(1-0.012)+0.5×0.012=0.2135
VO2=307.83×22.4/24=287.31 m3
煤粉提供的氧气=150×0.0415×22.4/32=4.38 m3
鼓风VO2=287.31-4.38=282.93 m3
风量V风=282.93/0.2135=1325.2 m3
鼓风重量=1325.2×1.28=1696.26 Kg
2.1.2煤气量的计算
1、CH4
⑴炭生成的CH4=3.18×22.4/12=5.94 m3
⑵焦炭挥发的CH4=400×0.0033×22.4/16=1.85 m3
⑶生成总量=5.94+1.85=7.79 m3
2、H2
⑴鼓风带入H2=1325.2×0.012=15.9 m3
⑵煤粉带入H2=150×0.0446×22.4/2=74.93 m3
⑶焦炭带入H2=400×0.0006×22.4/2=2.69 m3
⑷还原消耗H2=（15.9+74.93+2.69）×0.4=37.41 m3
⑸生成CH4 H2=5.94×2=11.88 m3
⑹炉顶H2=（15.9+74.93+2.69）×0.6-11.88=44.23 m3
3、CO2
Fe2O3+CO→FeO+CO2
CO2=(1642.5×0.7295) ×22.4/160=167.75 m3
FeO+H2→Fe+HO2 rH2=72×44.23×56/（22.4×945.16×72）解得：rH2=0.123
FeO+CO→Fe+CO2
CO2=945.16×(1-0.45-0.123) ×22.4/56=161.43 m3
石灰石分解CO2=14.08×0.4346×22.4/44=3.12 m3
焦炭带入CO2=400×0.0033×22.4/44=0.67 m3
进入炉顶CO2=167.75+161.43+3.12+0.67=332.97 m3
4、CO
⑴燃烧生成CO=307.83×22.4/12=574.62 m3
⑵直接还原CO=96.14×22.4/12=179.46 m3
⑶焦炭挥发份CO=400×0.0033×22.4/28=1.06 m3
⑷间接还原CO=167.75+161.43=329.18 m3
⑸炉顶CO=574.62+179.46+1.06-329.18=425.96 m3
5、N2
⑴鼓风N2=1325.2×（1-0.012）×0.79=1034.35 m3
⑵焦炭带入N2=400×0.004×22.4/28=1.28 m3
⑶煤粉带入N2=150×0.0043×22.4/28=0.52 m3
⑷炉顶带入N2=1034.35+1.28+0.52=1036.15 m3
6、炉顶煤气成分

表五 煤气成分表

CH4
CO
N2
H2
CO2
总体积
m³
7.79
425.96
1036.15
44.23
332.97
1847.1
%
0.26
23.06
56.09
2.39
18.02
100

⑴煤气密度=(0.0026×16+0.2306×28+0.5609×28+0.0239×2+0.1802×44)/22.4=1.35 Kg/m3
⑵煤气重量=1847.1×1.35=2493.59 Kg
⑶氢还原生成H2O=37.41×18/22.4=30.06 Kg
2.1.3 物料平衡表

表六 物料平衡表
收入项
支出项
名称
数量 kg
比例 %
名称
数量 kg
比例 %
复合矿
1642.5
42.08
铁水
1000
25.7
石灰石
14.08
0.36
炉尘
20
0.51
焦炭
400
10.25
水分
30.06
0.77
煤粉
150
3.84
煤气（干）
2493.59
64.08
鼓风
1696.26
43.47
炉渣
347.45
8.94
总计
3902.84
100
总计
3891.1
100

绝对误差=3902.84-3891.1=11.74
误差校核：11.74/3902.84.61=0. 29%<0.3%，符合规定。
2.2 热平衡
2.2.1 热收入的计算
一、热收入
⑴碳氧化：由C氧化生成1m3CO2放热17869.50KJ
由C氧化生成1m3CO放热5241.72 KJ
Q1=（425.96-1.06）×5241.72+(167.75+161.43) ×17869.50=8109488.84KJ
⑵热风：1100°C的空气热容1.4233KJ/ m3°C
1100°C水蒸气的热容1.7393 KJ/ m3°C
鼓风中98%进入热风炉，2%用常温喷吹煤粉
1325.2×0.98=1298.7 m3
Q2=[1298.7×(1-0.012) ×1.4233+1298.7×0.012×1.7343] ×1100=2038702.54 KJ
⑶H2氧化放热： 1 m3 H2氧化成水蒸气放热10788.58
Q3=30.06×10788.58=324304.72KJ
⑷成渣热：1公斤氧化钙和氧化镁的成渣为1128.60KJ
Q4=(0.5346+0.0052) ×14.08×1128.60=8577.79KJ
⑸矿带入物理热：25°C炉料的热容为0.6897KJ/ Kg°C
Q5=1642.5×0.6897×25=28320.81KJ
热收入
Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=8109488.84+2038702.54+324304.72+8577.79+28320.81
=10509394.7 KJ
二、热支出
1.氧化物的分解
⑴铁氧化物分解 FeO Fe3O4 80%
2FeO.SiO2 20%
以2FeO.SiO2存在的 FeO
FeO=1248.3×0.095×0.2+400×0.1217×0.0616+150×0.1496×0.0735= 28.37Kg
以Fe3O4存在的FeO
FeO=1248.3×0.095×0.8+164.25×01752=123.65Kg
以Fe3O4存在的Fe2O3
Fe2O3=123.65×160/72=274.77Kg
则Fe3O4=123.65+274.77=398.42Kg
游离的Fe2O3=1642.5×0.7295-274.77=923.44 Kg
分解1Kg以2FeO.SiO2状态存在的FeO消耗408.52 KJ
分解1Kg Fe3O4消耗4791.78KJ 分解1Kg Fe2O3消耗5144.28 KJ
铁氧化物耗热G= 28.37×4068.52+398.42×4791.78+923.44×5144.28
=6774998.82 KJ
⑵其他氧化物
MnO分解1Kg Mn耗热7350.53 KJ
由SiO2分解出1KgSi耗热31028.14KJ
由3CaO.P2O5分解出1KgP耗热35697.26KJ
其他氧化物分解吸热
G=2.1×7350.53+4.5×31028.14+0.7×35697.26=180050.83KJ
Q1=6774998.82+180050.83=6955049.65KJ
2.脱硫吸热
CaO.脱硫耗热5392.20 KJ/ Kg
MgO.脱硫耗热8025.60 KJ/ Kg
MnO脱硫耗热6249.10 KJ/ Kg
FeO .脱硫耗热5496.70 KJ/ Kg
平均耗热=6290.90 KJ/ Kg
脱硫吸热Q2=(3.21+0.18) ×6290.90=19061.43KJ
3.碳酸盐分解吸热
CaCO3分解1Kg CaO吸热4037.88 KJ
MgCO3分解1Kg MgO吸热2482.92 KJ
碳酸盐分解吸热Q3=14.08×0.5346×4037.88+14.08×0.0052×2482.92=30575.59KJ
4.水分分解吸热
分解1m3水蒸气吸热10788.58KJ
Q4=1325.2×0.012×10788.58=171564.31KJ
5.煤粉分解吸热
分解1Kg煤粉吸热836KJ
Q5=150×836=125400KJ
6.游离水蒸发吸热
重要是焦炭带入
1KgH2O是由0°C升高到100°C吸热418KJ
1Kg 1000°C H2O变成100°C水蒸气吸热2257.2KJ
Q6=400×（0.04+1）×0.04×（418+2257.2）=37977.80KJ
7.铁水带走
1Kg1450°C铁水带走热量1237.28KJ
Q7=1000×1237.28=1237280KJ
8.炉渣带走
1Kg1500°C铁水带走热量1851.74KJ
Q8=347.45×1851.74=643387.06KJ
9.煤气带走 200°C煤气带走的热量
N2 CO CO2 H2 CH4 H2O
热容 1.3104 1.3104 1.7844 1.2996 1.8166 1.5086
干燥气热容
=0.0026×1.8166+0.2306×1.3104+0.5609×1.3104+0.1802×1.7844+0.0239×1.2996=1.46KJ/ m3°C
干燥气带走热量=1847.1×1.46×（200-0）=687899.53KJ
煤气中水分带走热量
=（400×0.04×22.4/18）×（200-100）×15.086+28.93×（200-0）×1.5086=38766.66KJ
炉尘带走热量 炉尘热容0.836 KJ/ Kg
=20×0.836×（200-0）=3344KJ
Q9=687899.53+12610.55+3344=703854.08KJ
10.热损失
Q10=热收入-（Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8+Q9）
=10509394.7-(6955049.65+19061.43+30575.59+171564.31+125400+37977.8+1237280+643387.06+703854.08)=585244.78 KJ
表七 热平衡表
热收入
热支出
名称
数量 kJ
%
名称
数量 kJ
%
碳素氧化放热
8109488.84
77.16
氧化物分解
6955049.65
64.29
鼓风带入热
2038702.54
19.4
脱硫吸热
19061.43
0.18
氢氧化放热
324304.72
3.09
水分解
171564.31
1.63
成渣热
8577.79
0.08
游离水蒸发
37977.80
0.36
炉料物理热
28320.81
0.27
铁水带走
1237280
11.77

炉渣带走
643387.06
6.13

喷吹物分解
125400
1.19

碳酸盐分解
30575.59
0.29

煤气带走
703854.08
6.7

热损失
585244.78
5.57
总计
10509394.7
100.00
总计
10509394.7
100.00
3.高炉本体设计
3.1高炉总容积的拟定
设计一座年产制钢生铁220万吨的高炉车间。作业率为95%。
（1） 拟定年工作日：
365×95%=347天
日产量：P总=220×10000/347=6340.06t
（2） 定容积：
高炉运用系数ηv=2.0t/(m³.d)
每座高炉日产量：P= P总/1=6340.06t
每座高炉容积：Vu=P/ηv=6340.06/2.0=3170m³
3.2 炉型设计
（1） 炉缸直径（d）：
选定冶炼强度I=0.90t/(m³.d)
炉缸截面燃烧强度：i燃=1.05t/(m².h)
则 d=0.23 =0.23=11.98m
取 d=12m
校核：Vu’/A==28m
设计符合规定。
（2） 炉缸高度：
① 渣口高度：hz==
取 h z=1.7m
式中：N—昼夜出铁次数，10次；
ρ铁—铁水比重，7.1t/ m³；
b—生铁波动系数，1.2；
C—渣口以下炉缸运用系数，0.55。
② 风口高度：
取 K =0.50
hf= hz/k=1.7/0.5 =4.15m
取 hf=4.1m
③ 风口数目：n=2×(d+2)=2×(12+2)=28
取 n=28个
④ 风口结构尺寸：选取a=0.5
则炉缸高度：h1= hf+a=4.1+0.5=4.6m
(3)死铁层厚度：
选取h0=2×d=2×1.2=2.4m
(4)炉腰直径、炉腹角、炉腹高度：
选取 D/d=1.1
则 D=1.1×12=13.2m 取 D=13.2m
选取 α=80°
则 h2=(D-d)×tg80°/2
=(13.2-12)×tg80°/2
=3.4m
取 h2=3.4m
校核α：tgα=2 h2/(D-d)
=2×3.4/(13.2-12)
=6
α=80°
(5)炉喉直径、炉喉高度的拟定：
选取 d1/D=0.67
则 d1=0.67×13.2=8.85m
取 d1=8.9 m
选取 h5=1.5m
（6）炉身角、炉身高度、炉腰高度：
选取 β=83º
则 h4=(D- d1)×tgβ/2
=(13.2-8.9)× tg83º/2
=17.51m
取 h4=17.5 m
校核β：tgβ=2× h4/(D- d1)
=2×17.5/(13.2-8.9)
=8.14
β=83º
选取 Hu/D=2.28
则 Hu=2.28×13.2=30.09 m
取 H =30 m
求得：h3=Hu-h1-h2-h4-h5
=30-4.6-3.4-17.5-1.5
=3m
(7) 校核炉容：
炉缸体积：V1=
=3.14×12²×4.6/4
=520.24 m³
炉腹体积：V2=
=3.14×3.4×(13.2²+13.2×12+12² )/12
=424.26m³
炉腰体积：V3=
=3.14×13.2²×3/4
=410.34m³
炉身体积：V4=
=3.14×17.5×（13.2²+13.2×8.9+8.9²）/12
=1699.41m³
炉喉体积：V5=
=3.14×8.9²×1.5/4
=93.27 m³
高炉容积：Vu= V1+V2+V3+V4+V5
=520.24+424.26+410.34+1699.41+93.27
=3147.52 m³
误差： ΔV =（Vu′- Vu）/ Vu′
=（3170-3147.52）×100%/3170
=0.7%〈1%
3.3 内型尺寸及示意图

4.1高炉砌砖（高铝砖）
1.炉衬设计：
炉缸、炉底采用全碳砖，风口区以上的炉腹、炉腰采用粘土砖，炉身中下部采用碳化硅砖，炉身上部采用粘土砖，炉喉采用钢砖护板，基墩用耐火混凝土，基墩用钢筋混凝土，选用过渡式炉腰。
2.高炉砌砖（高铝砖）计算
(1)炉腹砌砖
炉腹用高铝砖，高炉炉腹高度为3400mm，则所需高铝砖层数==45层，炉腹内衬厚度为345mm，采用G4-G2配合。
为设计方便，将炉腹分为3段进行砌砖计算，从下往上每段的砖层数为15层。
第1段 圆环内径d=12023mm。
G4：ns===87块
G2：nz===179块
×15
G4=87
G2=179
第2段 根据砌砖公式==199mm
式中：h为砖的厚度=1125mm。
第2段内径d2=12023+2=12023+2×199=12398mm
G4：ns===87块
G2：nz===187块
×15
G4=87
G2=187
第3段 内径d3=12023+4=12023+4×199=12796mm
G4：ns===87块
G2：nz===196块
×15
G4=87
G2=196
炉腹砖的总数为11640块。
(2). 高炉炉腰砌砖 用高铝砖
炉腰高度为3000mm。则所需高铝砖层数为=40层。炉腰内衬厚度为345mm，采用G4-G2配合。
G4：ns=87块 G2：nz===204 块
×40
G4=87
G2=204
炉腰砖的总数为9735块。
(4) 高炉炉身砌砖 用黏土砖
炉身高度为17500 mm，所需黏土砖的层数为=234层
1）炉身下半部 将炉身下半部分为15段，炉身下部炉衬厚度为575mm。
第1段 G4：ns=87块
G2： nz===201块
G3=97
×5
G4=87
G1=201
G2=201
第2段 ==46mm
G3：ns=97块 G1：nz=187块
G4=87
×5
G3=97
G2=202
G1=187
第3段 G4：ns=87块 G2：nz=197块
G3=97
×5
G4=87
G1=197
G2=197
第4段 G3：ns=97块 G1：nz=184块
G4=87
×5
G3=97
G2=199
G1=184
第5段 G4：ns=87块 G2：nz=194块
G3=97
×5
G4=87
G1=194
G2=194
第6段 G3：ns=97块 G1：nz=180块
G4=87
×5
G3=97
G2=195
G1=180
第7段 G4：ns=87块 G2：nz=190块
G3=97
×5
G4=87
G1=190
G2=190
第8段 G3：ns=97块 G1：nz=177块
G4=87
×5

G3=97
G2=192
G1=177
第9段 G4：ns=87块 G2：nz=186块
G3=97
×5

G4=87
G1=186
G2=186
第10段 G3：ns=97块 G1：nz=174块
G4=87
×5

G3=97
G2=189
G1=174
第11段 G4：ns=87块 G2：nz=182块
G3=97
×5

G4=87
G1=182
G2=182
第12段 G3：ns=97块 G1：nz=171块
G4=87
×5

G3=97
G2=186
G1=171
第13段 G4：ns=87块 G2：nz=178块
G3=97
×5

G4=87
G1=178
G2=178
第14段 G3：ns=97块 G1：nz=168块
G4=87
×5

G3=97
G2=183
G1=168
第15段 G4：ns=87块 G2：nz=174块

G3=97
×5

G4=87
G1=174
G2=174

2） 炉身上半部 分为11段，炉身上半部炉衬厚度为345mm
×15
第1段 G4：ns=87块 G2：nz=172块
G4=87
G2=172
第2段 G4：ns=87块 G2：nz=168块
×15
G4=87
G2=168
第3段 G4：ns=87块 G2：nz=164块
×15
G4=87
G2=164
×15
第4段 G4：ns=87块 G2：nz=160块
G4=87
G2=160
第5段 G4：ns=87块 G2：nz=156块
×15
G4=87
G2=156
第6段 G4：ns=87块 G2：nz=152块
×15
G4=87
G2=152
第7段 G4：ns=87块 G2：nz=148块
×15
G4=87
G2=148
第8段 G4：ns=87块 G2：nz=144块
×15
G4=87
G2=144
第9段 G4：ns=87块 G2：nz=140块
×15
G4=87
G2=140
第10段 G4：ns=87块 G2：nz=135块
×15
G4=87
G2=136
第11段 G4：ns=87块 G2：nz=132块
×8
G4=87
G2=133
炉身砖的总数为57301块。
(4).炉喉应用冷却壁
3.各部分炉壳参考厚度
炉底
炉身
炉腹
基墩
基座
4000mm
805mm
345mm
3000mm
4500mm
4.冷却器的选择
炉缸、炉底采用光面冷却壁，炉底设立水冷管，炉腹、炉腰与炉身下部采用冷却壁，风口、渣口用紫铜套管冷却。